基于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析.pdf
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1、Vol.45No.2Mar.2024JournalofChinaWestNormal University(NaturalSciences2024年3 月第2 期第45卷自然科学版西华师范大学学报D01:10.16246/j.issn.1673-5072.2024.02.009基于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析罗为维,周旭1,刘晓林?,马桥明,任芳3(1.贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳550 0 2 5;2.水利部珠江水利委员会,广州510611;3.航天宏图信息技术股份有限公司,北京100195)摘要:城市低影响开发(LID)是解决城市内涝问题、改善人居环境的重要创新举措。本文
2、以雨洪风险较高的贵阳市云岩区和南明区为例,输人不同降雨条件,运用SCS-CN模型模拟降雨径流;应用CIS空间分析识别不同雨洪风险区,并将雨洪风险、土地利用、高程、坡度和坡向耦合分析LID的适建性;拟选最适建占比最高的街区作为LID示范建设区。结果表明:不同土地利用类型的地表径流量差异较大,降雨5a一遇时建筑区为6 6.2 1mm、林地为7.63mm100a一遇时建筑区为110.41mm、林地为2 8.8 0 mm,应当重视城市绿化建设。研究区在5a一遇情景模拟下,最先出现大面积雨洪风险,雨洪高风险区面积6.9 0 km。区域内LID适建性总面积为18 4.4km,其中最适建面积为8 1.49
3、km,覆盖41个街区,最终选取最适建面积占比9 7.44%的中山西路街道和9 8.8 1%的河滨社区作为建设示范点。关键词:低影响开发;适建性;雨洪风险模拟;SCS-CN模型中图分类号:TU984文献标志码:A文章编号:16 7 3-50 7 2(2 0 2 4)0 2-0 17 2-0 9随着城市建设用地不断扩展,自然土地转变为不透水表面,从而导致渗透过程减弱,由此引发的城市热岛和城市内涝等问题日益严重。洪水灾害已占世界自然灾害的1/3 2】,被视为社会发展和人类生活的新威胁3 。为了应对城市内涝、改善人居环境等,我国住房和城乡建设部于2 0 14年10 月印发了海绵城市建设技术指南:低影响
4、开发雨水系统构建(试行),明确要求规划引领、统筹开发城市雨水系统【4,实现从宏观尺度到微观尺度的统筹协调、从战略规划到实践层面的承接配合5。当前我国海绵城市建设仍处于试点建设阶段,对于海绵城市的理论创新、规范制定和标准化建设还有待完善6),尤其是低影响开发(LowImpactDevelopment,LI D)建设还处于不断的探索和实践之中。LID是采用源头控制理念实现雨洪管理与利用的海绵城市建设方法7 。LID适建性分析是指融人生态要素与海绵理念的适宜性评价方法,可为海绵城市建设提供辅助决策8 。由于城市的地形、生态环境、格局的不同,LID适建性指标构建的侧重点也存在差异。任建超和谢水波9 1
5、从自然地理要素、城市建设以及用地功能3 个指标评价海绵城市建设适宜性。付韵潮等【10 进一步将水文、产业布局加人LID适建性评价,为天府新区提供LID建设指导。陈哲夫等1从水文的角度深人,强化水源涵养、土壤保持和水质净化3 个指标,实现海绵城市建设适应性评价。现有适建性研究大多基于地形、植被、土地利用和水文等方面进行,也有部分学者12-14 从径流管理将不同重现期下的降雨径流作为雨洪因子,融人LID措施建设评价中,但忽略了城市降雨径流形成淹没时的雨洪风险对LID建设的影响。因此,本研究的目的是融合雨洪风险对贵阳市云岩区和南明区进行LID适建性综合分析。运用SCS-CN水文模型与ArcGIS,模
6、拟研究区内5a、10 a、2 5a、50 a 和10 0 a一遇重现期降雨产流以及雨洪风险分布,耦合雨洪风险、高程、坡度、坡向和土地利用构建LID适建性体系,分析研究区内最适建区域,并基于各街区的收稿日期:2 0 2 2-12-2 4基金项目:国家自然科学基金项目(U1812401)教育部-航天宏图公司产学合作协同育人项目(2 2 0 8 0 2 3 13 18 16 2 0)作者简介:罗为维(19 9 8-),女,硕士研究生,主要从事海绵城市与山地景观设计研究。通信作者:周旭(19 8 1一),男,博士,教授,主要从事遥感水文与流域管理研究,E-mail:z x z y 8 17 8 16
7、3.c o m引文格式:罗为维,周旭,刘晓林,等.基于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析J.西华师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,45(2):17 2-18 0.LUO WW,ZHOU X,LIU X L,et al.Suitability analysis of urban Low Impact Development based onrainfall flood risk simulation J.Journal of China West Normal University(Na t u r a l Sc i e n c e s),2 0 2 4,45(2):17 2-18
8、 0.贵阳173第45卷第2 期罗为维,于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析京耦合效果筛选示范街区,为城市LID建设提供参考。1研究区概况贵阳市处于云贵高原东部,是典型的喀斯特山地城市,地形起伏大,山高坡陡,以山地、丘陵为主,平坝区域仅占9%。贵阳市属于亚热带季风湿润气候,年降水量为10 7 2.8 mm,夏半年降水量占年降水量的78.5%。5一9 月为贵阳市的雨期,阵雨和暴雨频发,洪涝灾害主要集中在这一时期。云岩区和南明区是贵阳市主城区,面积共3 0 2.9 1km(图1),具有人口密度高、商贸繁荣、交通便利与人文景观丰富等特点。根据历史文献记载,在19 52 19 9 8 年,贵阳洪涝
9、灾害爆发的频率为3 4年1次15。19 9 6 年7 月2 日的特大暴雨被列入百年一遇降雨灾害事件,主城区日降雨量为19 7.3 mm,致使河道水位上升,交通瘫痪,人员伤亡惨重,直接经济损失达3 2.58 亿元15。2 0 14年7 月15日主城区日降雨量达到了2 0 1.7 mm,超过19 9 6 年成为有记录以来的日降雨量最大值。106400E106450E106500E106550EN.0,0t.92N,0,0t。9 2N研究区范围行政区边界云岩区南明区N.0,S6.92历史内涝点N,0,56.92高:1443 m低:10 0 1m息烽奥开阳县修文县N,0,06,92云区当区观山湖区清镇
10、市区南明区花溪区0510km106400E106450E106500E106550E图1研究区位置示意图Fig.1Location diagram of the study area2数据来源与研究方法2.1数据来源本研究采用中国资源卫星应用中心(htp:/w w w.c r e s d a.c o m/CN/)2 0 2 1年6 月CF-6号16 m遥感影像数据和欧洲航天局(https:/w w w.e s a.i n t/)2 0 2 1年10 m土地利用数据;土壤类型分布数据来自第二次土壤普查;云岩区和南明区街区数据下载自9 1卫图;3 0 mDEM数据来自地理空间数据云(http:/w
11、 w w.g s c l o u 计算获得;实际历史内涝点数据以2 0 14年贵阳市住房和城乡建设局公布的贵阳市中心城区主要水淹点一览表为基础,对照微博官方账号“贵阳交通广播”发布的2019一2 0 2 1年7 月实时内涝信息进行整理更新所得。2.2研究方法2.2.1雨洪风险模拟方法1)降雨量设计。本研究根据室外排水设计标准【17 列举的适宜降雨历时,以12 0 min为例,基于市暴雨强度公式,计算出5a、10 a、2 5a、50 a 和10 0 a一遇的重现期下的设计降雨量,公式如下:1742024年西华师范大大科子 0.719式中:i代表暴雨强度(L(s hm)-l);p 代表设计降雨重现
12、期(a);t 代表设计降雨历时(min),P为设计降雨量(mm)。各重现期降雨量设计结果如表1所示。2径流计算参数设定。SCS-CN模型由美国农业部水土保持局开发,综合考虑了土地利用类型、土壤类型、前期土壤湿润程度对降雨径流的影响,用于预测降水径流量的大小18 ,其基本关系为:(P-0.2S)2P0.2S,Q:P+0.8S(2)lo,P 0.2S,式中:P为设计降雨量(mm);Q 为实际径流量(mm),S为最大滞留量(mm)。区域内S受地表径流参数(CN)的影响,其关系如下19 100S=254(3)XCN美国农业部水土保持局根据土壤质地与土壤水分的最小渗透率由强到弱划分为A、B、C、D 共4
13、类土壤水文类型2 0-2 1(表2),并提供适用于城市区域的CN值2 2 。本研究在土壤水文湿度为AMC-I(普通)型进行开展,区域内包含B、C、D三类土壤水文型。结合相关CN值研究2 3 ,获取对应CN值(表3)。3)雨洪淹没模拟。基于上述步骤,将暴雨内涝视为无源没状态,不考虑汇流过程,仅受重力与地形等自然因素的影响,进行洼地填充2 4,基表1各重现期降雨量Table 1Rainfall of each return period重现期/a设计降雨历时/min设计降雨量/mm512069.071012079.302512092.8250120103.05100120113.28表2土壤水文分
14、类Table 2Classification of soil hydrology土壤水文类型渗透率土壤质地A较高沙土、粗质沙壤土B中等壤土、粉沙壤土C较低沙质粘壤土D很低粘土、盐渍土表3 量贵阳市CN值对照表Table 3Comparison table of CN value in Guiyang city不同土壤水文类型的CN值土地利用类型ABCD农田62717881林地25557077草地49697984水域98989898建筑区98989898灌木/灌丛36607979湿地62717881裸露土地72828890于二分法运用ArcGIS中的SurfaceVolume工具确定研究区经历暴
15、雨后的内涝淹没高度,进行雨洪风险模拟与分级2.2.2LID适建性指标耦合LID措施大多数依靠植被的一系列生态活动进行雨水的吸纳利用,植被的生长影响LID措施的效益2 5。本研究选取与LID措施中植被生态有关地形因子(高程、坡度、坡向),土地利用类型以及雨洪风险分布进行AHP层次分析,构建LID适建性评价体系(表4)。随着高程的增加,大气密度降低,太阳辐射增强,植被生长受抑制,生态敏感性高,越不适宜人为LID措施建设2 6 ;坡度影响降雨的径流冲刷速度,坡度越小的区域,坡面越缓,降雨地表径流冲刷越慢,有利于植物吸收净化雨水,越适宜LID建设【2 7 ;研究区位于北半球,坡向越朝南,植被光照条件越
16、好,越适合植被生长,LID建设越适宜;土地利用类型涉及不同下垫面的地表径流、生态敏感性以及保护制度,地表径流越大、生态敏感性越低的区域越适宜进行LID建设,而林地、农田和水域具有较为严格的保护制度不适宜进行LID建设;雨洪风险依据重现期进行划分,重现期越小,降雨越频繁,越容易产生城市淹没,雨洪风险越高,越适宜LID建设 2 8 175罗为维,等:基于雨洪风险模拟的城市低影响开发适建性分析第45卷第2 期表4名各评价因子权重Table4Weight of each evaluation factor评价因子权重系数分级说明和赋值设定10 0 1 110 0 m为最适建,赋值7;110 1 12
17、0 0 m为较适建,赋值5;12 0 1 13 0 0 m为高程0.4940较不适建,赋值3;13 0 0 143 3 m为不适建,赋值1设定0 5为最适建,赋值7;5.1 15为较适建,赋值5;15.1 2 5为较不适建,赋值3;坡度0.117125以上为不适建,赋值1设定南面、平地为最适建,赋值9;西南、东南为较适建,赋值7;东、西面为中等适建,赋值5;坡向0.138 9西北、东北为较不适建,赋值3;北面为不适建,赋值1设定城市建筑区与裸露土地为最适建,赋值7;草地与湿地为较适建,赋值5;林地和灌木灌丛土地利用类型0.1875为较不适建,赋值3;农田与水域为不适建,赋值1基于雨洪风险分布进
18、行赋值,设定5a一遇为高风险,赋值9;10 a一遇为较高风险,赋值7;雨洪风险0.062525a一遇为中风险,赋值5;50 a一遇为较低风险,赋值3;10 0 a为低风险,赋值13结果与分析3.1雨洪风险特征SCS-CN模型模拟的不同重现期下的地表降雨径流如表5所示,随着重现期的增加,地表径流量也增加,其中地表径流量产生最多的区域集中在人类活动最多的建筑区,5a一遇下为6 6.2 1mm,10 0 a 一遇下为110.41mm。而林地有较深的根系,对雨水吸纳有较好的效果,其径流量也最少,5a一遇重现期下仅产生7.63mm的径流量,10 0 a一遇下的径流量也仅有2 8.8 0 mm。这表明在城
19、市LID建设中,植被对地表径流的吸收和截留能力不容忽视,在建筑区中,应考虑采用植被对其进行LID建设。表5不同重现期下地表径流量Table5Surface runoff in different return periods(单位:mm)土地利用类型5a10a25a50a100a水体66.2176.4489.95100.18110.41林地7.6311.6317.8323.1028.80草地17.6923.9032.8640.1047.66湿地21.1527.9537.6245.3553.37农田20.0426.6536.1043.6851.56灌丛/灌木13.8519.3227.3733.9
20、740.94建筑区66.2176.4489.95100.18110.41裸露地面40.4649.5561.8771.3680.95结合地表径流量运用SurfaceVolume工具模拟得出云岩区、南明区的淹没雨洪风险分布如图2、图3 所示:研究区内大面积的城市内涝出现在5a一遇重现期下,高风险区域总面积6.9 0 km,是LID重点建设区域。10 10 0 a一遇的情景下,各街区内的积水未形成较大的溢流情况,仅在5a-一遇重现期基础上小范围延伸。因此,可依据区域内不同风险进行分批优化,形成循序渐进的城市LID建设。结合遥感影像可知,雨洪集中在城市干道、居民区内部以及河道附近,对居民生活以及交通出
21、行造成较大的影响。由云岩区雨洪风险等级分布(图2)可知:云岩区雨洪分布较分散,淹没地点基本在居住区、商圈广场以及交通道路。中部的中山西路街道、延中社区、中华北路街道以及贵乌社区是云岩区中心地段,此处建筑密度大,老旧建筑多,地势坡度大,市井街巷排水设施较为老旧,面对强降雨时,地表径流削减效果欠佳且排水效果不理想,是雨洪多发地段。头桥社区出现内涝的区域主要在西部前期规划有待完善的花果园居住区,此处交通拥挤,人流密集,绿地率较低,存在城市雨洪风险。三桥社区内多以待提质改造的老旧平房为主,城市绿化较少且排水设施较为老旧,亦会导致城市内涝。1762024年西华师范hV level distributio
22、n of rainfall flood in Yunyan district由南明区雨洪风险等级分布(图3)可知:南明区雨洪风险分布的范围广泛,市西河两侧、建筑区、交通干道以及部分地势较低农田没情况比较明显。在南明区西部,从中曹司社区至水口寺社区,以及沿途河道内各街区均有带状雨洪高风险分布。其中,遵义社区淹没状况较为严重,呈现四周环绕式淹没,同时连接沙冲社区东北部、兴关社区西部呈块状淹没。南明区中部在城市河流两侧形成淹没,横跨小碧布依族苗族乡、龙洞社区以及云关乡3 个街区。由于南明区东部地势整体较低,雨洪风险多出现在建筑区以及农田等地区。社区街道边界城市水系雨洪高风险区雨洪较高风险区雨洪中风险
23、区雨洪较低风险区雨洪低风险区048km注:1.永乐乡;2.小碧布依族苗族乡;3.大南社区;4.市府社区;5.中南社区;6.河滨社区;7.湘雅社区;8.花果园社区;9.中曹司社区;10.太慈社区;11.遵义社区;12.新华社区;13.沙冲社区;14.沙南社区;15.西湖社区;16.水口寺社区;17.兴关社区;18.油榨社区;19.二戈寨社区;2 0.见龙社区;2 1.云关乡;2 2.后巢乡;23.龙洞社区。图3 南南明区雨洪风险等级分布Fig.3Risk level distribution of rainfall flood in Nanming district3.2LID适建性单因子分析高
24、程的适建性分布如图4a所示:高程适建性呈现出以云岩区、南明区的中心向外减弱的趋势,整体上适宜进行LID建设,区域内适建区为7 8.9 0%。最适建区多以地形变化较小的建筑区为主,LID最适建区占总177罗为维雨洪风险模拟的城发适建性分析第45卷第2 期区域的2 8.8 1%,较适建区域占总区域的50.0 9%。坡度的适建性分布如图4b所示:坡度适建性分布与高程具有一致性,多集中于建筑区、农田等人为干预较多的区域。总体适建区域占比7 0.17%,其中最适建区占研究区的19.0 5%,较适建区占研究区51.12%。坡向的适建性分布如图4c所示:研究区处于喀斯特山区,地形变化较大,坡向分布较为破碎。
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